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承压设备强度数值模拟若干问题及其工程应用研究

苏文献  
【摘要】: 承压设备全寿命数值模拟是现代设计的发展方向,而强度数值模拟是其关键之一。现有的分析设计规范对承压设备力学响应数值解的评定未做十分明确的规定,在应力分类方法中,存在着有限元应力数值解如何合理分类的困难;在直接方法中,确定承压设备极限承载能力的各种方法有着较大的差别。因此,建立操作性强、概念清晰、减少人为因素干扰的承压设备强度数值模拟方法,对消除承压设备数值模拟的不确定性,有效地对承压设备强度进行评定,具有重要意义。本文在教育部高等学校博士学科点专项科研基金(资助号:20010335032)的资助下,开展了防止承压设备发生总体塑性变形与渐增塑性变形的强度数值模拟方法的研究工作,并应用于实际工程中,取得了如下的主要创新成果: 1.提出了按5%应变确定塑性载荷的最大主应变准则。该准则可以用来防止承压设备的总体塑性变形。 5%最大主应变准则只需要经过弹塑性分析,求出承压设备在载荷作用下产生的最大主应变,当最大主应变达到5%时,作用在承压设备上的载荷就是塑性载荷。与其它已有确定塑性载荷的准则相比较,5%最大主应变准则不需要预先画出载荷—变形(应变)曲线,因而,就不需要选择变形参数(选择变形点的位移,或者容器体积的变化等)。 5%最大主应变准则在商用有限元分析软件ANSYS上很容易实现,主应变是ANSYS软件标准的输出项,通过ANSYS的参数化设计语言(APDL)可以得到当承压设备中某一部位的最大主应变达到5%时的塑性载荷。 2.提出了一种通过构造最佳残余应力场确定下限安定载荷的方法。根据弹塑性分析求出结构在静载荷作用下的塑性载荷,然后,卸载产生一个残余的应力场,通过对残余应力场进行修正,使其处处不发生反向屈服,得到最佳残余应力场。将最大载荷作用下的线弹性应力场与最佳残余应力场迭加,确保迭加后的应力场处处不发生屈服,从而满足Melan静力安定定理的基本要求,就可以确定下限安定载荷,达到防止承压设备发生渐增塑性变形的目的。 利用构造最佳残余应力场求安定载荷的方法可以在现有的商业有限元软件 敏 浙江人学博1学位论文 在有限次次零至安定载荷循环作用下弹塑性分析,验证在安定载荷作用下,承 压设备没有发生渐增塑性变形。通过与其它求安定载荷方法及试验的比较说明, 本文提出的计算方法能更好地利用材料的塑性,具有较高的工程应用价值。 3.对齿啮式快开压力容器通过接触单元来数值模拟齿的接触过程,建立了基 于整体有限元应力分析塑性分析和应力分类与评定的齿啮式快开压力容器的基 本方法,并开发了相应的有限元程序。在边界条件的处理上,摈弃了过去仅从平 衡的角度处理接触边界条件,采用接触单元将接触问题引入齿啮式快开容器的有 限元整体模型中。 应用本文提出的5%最大主应变准则,求得了硫化罐这样一种齿啮式快开压 力容器的塑性载荷,并与其它方法求得的塑性载荷进行了分析比较。结果表明, 应用5%最大主应变准则求得的塑性载荷与其它方法获得的塑性载荷相当吻合, 但是,它比其它准则更容易实现。


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